（光学专业论文）锶及其卤化物蒸气激光机理和工作特性的研究.pdf

i i f lf lti l lii ii i i ii llli y 1714 0 6 2 论文作者签名： 么陛旺 指导教师签名：五蔓鱼k 答辩委员会主席： 委员1 ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： 答辩日期： 2 0 1 0 6 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： i 钐签字日期： 2 0 1 0 年5 月3 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 彩麦 签字日期：2 0 1 0 年5 月3 1 日签字日期：2 0 1 0 年5 月3 1 日 致谢 春去冬来，光阴似箭，在浙江大学的五年学 - - j 和生活生涯即将结束，五年里 有过彷徨，也有过执着；有过痛苦，也有过喜悦；有过烦躁，也有过宁静；有过 失败，也有过成功。虽然道路坑坑洼洼，但还是一步一个脚印走下来了。虽然浙 大没有直接给我什么，但浙大的整个大环境有着孕育人才的养分。在浙大的五年 里，让我接受了前沿的教育，悉听了一批知士名人的理念；在浙大的五年里，让 我开阔了眼界，能站在更高角度看问题；在浙大的五年里，让我更学会了独立思 考，用自己的思维判断问题；在浙大的五年里，让我学会了沉淀，要踏踏实实去 做事；这浙大的五年里，让我结交了一批良师益友，得到了他们珍贵的建议 这段美好时间将伴随我的今后生活，影响我一生。当然一路能够走过来，离不开 身边的老师、同学、朋友的的关心和帮助。 在这里特别地感谢潘佰良导师指导和错爱，潘老师是金属蒸气激光领域的专 家，已从事金属激光数十年，学术功底深厚，对金属蒸气激光了解透彻，能前瞻 性地把握专业发展动向，经常不辞辛劳地带领我们开展着各项科研工作。潘老师 为人谦虚和蔼，处处为学生着想，关心和帮助学生日常生活困难，给学生一个独 立的学 - - j 生活空间恩师之情希望有朝一日能够报答；感谢姚老师，姚老师对于 科研事业的执着、治学之风严谨的精神给了我深刻的影响，我在学术上直接或间 接得到了不少他的帮助；感谢陈刚、毛邦宁师兄和王煜博，他们都很乐于助人， 既是我学习上小老师，也是我生活上的好朋友。感谢他们不厌其烦地给我解答专 业上的具体细节问题和在生活学 - - j 上的有益帮助；感谢我的亲人，我能安心读书， 是你们在背后默默的奉献，谢谢你们的支持和理解；感谢学妹学弟王亚娟、朱琦， 张迅懿和杨静，都曾给过我很大帮助，帮我解决了不少困难；感谢叶高翔、林强、 赵道木，陈星等物理系所有关心帮助我的老师同学。在我需要你们的时候，总能 看到你们热情的双手。 离开浙大又是另一个开始，希望能够得到各位长辈、朋友和同学一如既往的 支持和帮助。我感激在心，候机给以回报。 另外论文得到国家自然科学基金项目( 批准号：1 0 5 7 4 1 1 1 和1 0 3 7 4 0 8 1 ) 的资 助，特此致谢。 陈立 9 0 1 0 - 4 - 3 浙江大学博士学位论文摘要 摘要 高重复率脉冲放电激励的锶蒸气激光是激光领域的研究热点之一，具有多种 机制、丰富的谱线和较高的激光功率和效率等特点，能在4 3 0 5 n m 6 4 5 9 m 光谱 范围输出多条瓦级以上功率的激光谱线，在微电子技术、材料处理、激光医疗和 红外技术等领域具有广泛的应用前景。长期以来，人们对脉冲锶蒸气激光产生极 大的兴趣和深入持续地研究并取得重要进展，但有关脉冲放电锶及其卤化锶蒸气 激光中的微观动力学过程、激光机理和工作特性等还有待深入研究，结合国家自 然科学基金项目的研究内容，论文较系统地开展了脉冲锶蒸气激光理论和实验研 究工作，取得了一些创新成果，具有重要的学术和应用价值 论文第一章综述了金属蒸气激光尤其是锶蒸气激光的发展历史、研究背景和 现状，分析讨论了不同机制中锶蒸气r _ m 跃迁激光、碰撞复合激光及其m m 跃 迁激光的工作原理和技术路线，提出了锶蒸气激光中存在的问题、解决方法及课 题的研究意义。 第二章建立了一个反映高重复率脉冲放电激励的一价锶离子1 0 9 0 r i m 自终止 激光和4 3 0 5 n m 复合激光交替振荡的动力学模型，得到了相关激光能级粒子数密 度，电子密度和腔内光子数密度等微观参量的时间演化过程，分析解释了这两种 激光交替振荡的发射过程、光电脉冲特性和粒子数反转机理，认为在放电早期和 余辉期电子温度的急剧升高和降低是实现两种激光交替振荡的关键所在。 第三章设计制作了小尺寸电泳式脉冲h e s r + ( c a + ) 激光器，利用高重复率 脉冲放电的电泳效应实现了金属锶或钙蒸气密度在放电区的均匀分布和稳定的 激光输出，得到s ，( c a + ) 复合激光最大输出功率8 1 9 ( 1 3 6 ) m w 和5 6 ( 5 9 ) m w c m 3 功率密度的实验结果。分析讨论了脉冲频率、激励电压，氦压和 4 3 0 5 3 7 3 3 n m 复合激光输出功率之间的关系，获得了一组较好的工作参量，为进 一步研制该类激光的实用化器件奠定了基础。 第四章设计制作了h e s r c l 2 蒸气激光器，成功地采用了锶的卤化物s r c l 2 代 替金属锶为激光介质，实现了多条锶蒸气激光谱线的高效稳定输出，有效解决了 i 塑翌奎堂堕主堂垡笙奎塑茎 纯金属锶激光工作时发生的锶蒸气和激光放电管之间剧烈的化学反应问题，提高 了激光的运转寿命。获得了1 3 2 w 多谱线激光总功率和1 2 4 6 m w e m 3 功率密度， 其中6 4 5 p m 波长占总功率7 8 1 ，研究分析了h e s r c l 2 蒸气激光的光脉冲和电 流脉冲的特性，发现1 9 m 3 1 t m 6 4 5 p m 激光脉冲均出现在电流脉冲的下降沿并 随着激光功率的增加有继续朝电流脉冲方向移动的趋势，并对此给予合理解释 第五章设计制作了可周期性更新缓冲气体后封离运转的金属蒸气激光系统， 较系统地测量和分析了铜蒸气5 7 8 5 1 1 n m 激光的光谱线型随宏观工作参量的变化 关系，发现激励电压、氖压和温度对5 7 8 n m 谱线结构影响较大。采用同样的方法 研究了锶蒸气4 3 0 。5 n m 复合激光的光谱结构，结果表明4 3 0 5 n m 谱线光谱结构稳 定。 关键词：锶蒸气激光，s r c l 2 蒸气激光，电泳，锶( 钙) 离子复合激光，高重复率 脉冲放电，激光交替振荡，动力学模型，轴向金属蒸气分布，光电脉冲，光谱结 构。 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t r o n t i u mv a p o rl a s e re x c i t e db yh r r ( h i g hr e p e t i t i o nr a t e ) p u l s e dd i s c h a r g e i sa l li m p o r t a n th o t s p o ti nt h e l a s e ra r e a , w h i c hh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n g m u l t i p l e l a s e r l i n e s ( c o v e r i n g w a v e b a n df r o mb l u et o i n f r a r e d ) ，w i t h d i f f e r e n t m e c h a n i s m s ，h i g h e ro u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c ya n ds oo n t h e s el a s e r sc a l lb ew i d e l y u s e di nm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，m i c r o e l e c t r o n i et e c h n o l o g y , l a s e rm e d i c a lt r e a t m e n ta n d i n f r a r e dt e c h n o l o g y s c i e n t i s t sc o n s t a n t l yh a v eg r e a ti n t e r e s ti nw o r k i n go nt h eo u t p u t p e r f o r m a n c ea n dt h em e c h a n i s mo fs t r o n t i u mv a p o rl a s e r , a n dm a k eal o to fi m p o m a n t r e s u l t s ，h o w e v e r , t h em i c r o k i n e i t cp r o c e s s ，t h el a s e rm e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs t r o n t i u ma n ds t r o n t i u mh a l i d ev a p o rl a s e r sa r es t i l lt ob ed e e p l yi n v e s t i g a t e d i nt h e p a p e rt h ep u l s e ds t r o n t i u ml a s e ri ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dw h a t e v e ro nt h e o r yo r e x p e r i m e n ta i m i n ga ta c c o m p l i s h i n gt h et a s ko fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n p r o g r a m ，a n ds o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa r ea c h i e v e dd u r i n gt h er e s e a r c h i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , t h eb a c k g r o u n da n dt h er e s e a r c hs t a t eo f m e t a lv a p o u rl a s e r s ( m v l s ) e s p e c i a l l yt h es t r o n t i u ma n ds t r o n t i u mh a l i d ev a p o rl a s e r s a r ec o m p e n d i o u s l yi n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g yo fs t r o n t i u mv a p o r l a s e rw i t hd i f f e r e n tt r a n s t i o nm e c h a n i s m si n c l u d i n gt h es e l f - t e r m i n a t i n g l a s e r , t h e c o l l i s i o n a lr e c o m b i n a t i o nl a s e ra n dt h em e t a s t a b l e m e t a s t a b l el a s e ra r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e d s o m es u g g e s t i o n st os o l v et h es u b s i s t e n tp r o b l e m so fs t r o n t i u mv a p o rl a s e r a n dt h er e s e a r c hp u r p o s ea r eg i v e no u t i nc h a p t e r2 ，as e l f - c o n s i s t e n tm o d e li s d e v e l o p e dt os i m u l a t et h ek i n e t i c so fa l t e r n a t eo s c i l l a t i o no fs e l f - t e r m i n a t i n ga n d r e c o m b i n a t i o nl a s e r s ( 1 0 9 0 4 3 0 5 n m ) i nu n i v a l e n ti o n so fs t r o n t i u me x c i t e db yh r r p u l s e dd i s c h a r g e t e m p o r a lb e h a v i o r so f l e v e lp o p u l a t i o nd e n s i t i e s ，t h ee l e c t r o n d e n s i t ya n dt h ec a v i t yp h o t o nd e n s i t ya r eo b t a i n e d t h ee m i s s i o np r o c e s so fa l t e r n a t e o s c i l l a t i o no ft h et w ol a s e r sa b o v e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el a s e rp u l s ea n dt h e p o p u l a t i o ni n v e r s i o nm e c h a n i s ma r ea l s oa n a l y z e da n de x p l a i n e d i ti sc o n s i d e r e d w h e t h e rt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ec a nr i s eu pq u i c k l yi nt h ee a r l y d i s c h a r g ea n df a l l d o w nr a p i d l yd u r i n gt h ed i s c h a r g e a f t e r g l o wi s t h ek e yt or e a l i z et h ea l t e r n a t e 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t o s c i l l a t i o no fs e l f - t e r m i n a t i n ga n dr e c o m b i n a t i o nl a s e r si nu n i v a l e n ti o n so fs t r o a n t i u m i ne x p e r i m e n t i nc h a p t e r3 ，as m a l l s c a l ec a t a p h o r e s i sh e s r + ( c 矿) r e c o m b i n a t i o n l a s e r sa r em a d e b ym e a n so ft h ec a t a p h o r e s i se f f e c ti nh r rp u l s e dd i s c h a r g e ，t h e a x i a lu n i f o r md i s t r i b u t i o no fm e t a lv a p o rd e n s i t ya n dt h es t a b l el a s e ro u t p u ta r e r e a l i z e d n em a x i m u ml a s e ro u t p u tp o w e ro f8 1 9 ( 1 3 6 ) m wa n dt h es p e c i f i cp o w e ro f 5 6 ( 5 9 ) m w c m 3 a r eo b t a i n e df o rs r + ( c 矿) r e c o m b i n a t i o nl a s e r s ，r e s p e c t i v e l y d e p e n d e n c e so fw o r k i n gp a r a m e t e r ss u c ha st h ep u l s e df r e q u e n c y ，t h es u p p l yv o l t a g e a n dt h eh e l i u mp r e s s u r eo nl a s e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r em e a s u r e da n dd i s c u s s e d a n das e to fo p t i m a lw o r kp a r a m e t e r si sg o t i tp r o v i d e san e ww a yt om a k eap r a c t i c a l d e v i c eo ft h i sk i n do fl a s e r i nc h a p e r4 ，a ni n v e s t i g a t i o no fah e s r c l 2v a p o rl a s e r e x c i t e db yb l u m l e i nd i s c h a r g ec i r c u i ti sm a d e s r c l 2c o m p o u n di ss u c c e s s f u l l y e m p l o y e d 嬲al a s a n ti ne x p l o r i n gt h ed i s c h a r g ee x c i t a t i o ns t r o n t i u mv a p o u rl a s e rw i t h an o v e ll a s e rd i s c h a r g et u b e ，a n dt h el a s e ro u t p u ta tm u l t i p l el i n e s ( li a n a ，- 3 p ma n d 6 4 5 t m ) i ns t r o n t i u mv a p o ra r er e a l i z e d p r o b l e mo f t h ei n t e n s ec h e m i c a lr e a c t i o n b e t w e e ns t r o n t i u mv a p o ra n dd i s c h a r g et u b ei nt h em e t a l l i cs t r o n t i u ml a s e ri s e f f e c t i v e l ys o l v e d ，w h i c hp r o l o n g st h e l i f e t i m eo ft h el a s e r t o t a lo u t p u tp o w e ro f m u l t i l i n eo f1 3 2 wa n dt h ep o w e rs p e c i f i co f12 4 6 m w c m 3a r ea c h i e v e d ，i nw h i c ht h e c o m p o n e n to ft h e6 4 51 a ml a s e rl i n ea c c o u n t sf o r7 8 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a s e ra n d c u r r e n tp u l s e si nah e s r c l 2v a p o rl a s e ra r em e a s u r e da n da n a l y z e d ，a n dt h ei m p r o t a n t e x p e r i m e n t a lr u l e sa r eg o ti nc h a p t e r5 ，as e a l e do p e r a t i o nm v lw i t hp e r i o d i c a l r e f r e s h m e n to ft h eb u f f e rg a sa r ed e s i g n e da n dm a d e 1 1 1 es p e c t r a ls t r u c t u r e so f5 7 8 n m a n d511n ml a s e rl i n e s ，p r o d u c e db yc u b rl a s e rw i t hl o w e rn eb u f f e rg a sp r e s s u r ea r e m e a s u r e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gt e m p e r a t u r ea n de x c i t i n gv o l t a g e i ti s f o u n dt h a t5 7 8 n ml a s e rl i n ei sc l o s e l yd e p e n d e n to nt h ew o r kt e m p e r a t u r ea n dt h e e x c i t i n gv o l t a g e ，b u t5 11n ml a s e rl i n e sn o t i nt h es a m ew a yt h es t u d yo nt h es p e c t r a l s t r u c t u r eo f4 3 0 5 n ms t r o n t i u mi o nr e c o m b i n a t i o nl a s e ri sd o n e ，a n di ti ss h o w nt h a t t h el i n es h a p eo f4 3 0 5 n ml a s e ri ss t a b l ea n dm o n o c h r o m a t i c k e yw o r d s ：s t r o n t i u mv a p o rl a s e r , s r c l 2v a p o rl a s e r , c a t a p h o r e s i s ，s t r o n t i u m ( c a l c i u m ) i o nr e c o m b i n a t i o nl a s e r , h i g hr e p e t i t i o nr a t ep u l s e dd i s c h a r g e ，l a s e ra l t e m a t eo s i l l a t i o n ， k i n e t i cm o d e l ，a x i a lm e t a lv a p o rd i s t r i b u t i o n ，p h o t o e l e c t r i cp u l s e ，s p e c t r a ls t r u c t u r e 浙江大学博士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i i 第1 章绪论1 1 1 锶及其卤化物蒸气激光的研究近况1 l 。1 16 4 5 9 m 锶原子激光2 1 1 2 锶离子10 9 0 n m 和4 3 0 5 n m 激光交替振荡3 1 1 3 电泳式锶蒸气激光4 1 1 4 锶及其铜蒸气激光的光谱结构5 1 2 锶蒸气激光的跃迁机制：6 1 2 1r - m 跃迁激光6 1 2 2 碰撞辐射复合激光7 1 2 3m m 跃迁激光9 1 3 研究内容和意义1 1 1 4 参考文献l3 第2 章一价锶离子1 0 9 0 n m 和4 3 0 5 n m 激光交替振荡的动力学模型1 8 2 1 简述18 2 2 电子能量分布函数和速率系数19 2 3 碰撞类型及相关系数2 0 2 3 1 各粒子与电子的碰撞2 1 2 3 2 原子和分子的碰撞2 6 2 3 3 辐射衰减2 6 2 3 4 线宽和增益j 2 8 2 3 5 传导系数2 8 2 4 电路分析和电路方程3 0 2 5 粒子数密度和腔内光强的连续变化方程。3 1 2 6 能量守恒方程3 3 2 7 动量转移输运方程3 4 2 8 模型初始值的设定3 5 2 9 计算结果讨论3 5 2 9 1 光电脉冲分析3 5 2 9 2 基态s r 、s r + 和s r 粒子数密度的时间行为3 7 2 9 3 交替振荡的出光机制一3 8 2 1 0 小结4 1 2 11 参考文献4 2 第3 章电泳式h e - s r + ( c a + ) 复合激光的研究一4 6 3 1 简述4 6 浙江大学博士学位论文目录 i i 3 2s r + ( c a + ) 能级、复合激光和r m 跃迁激光机制4 7 3 3 电泳对轴向蒸气密度分布的理论分析5 2 3 3 1 模型建立5 2 3 3 2 计算结果和讨论5 4 3 4 电泳式h e s r + ( c 加复合激光的特性5 7 3 4 1 实验装置5 7 3 4 2 实验结果的比较和分析6 0 3 5 小结。6 5 3 6 参考文献6 5 第4 章h e - s r c i ：蒸气激光输出特性的研究6 8 4 1 简述。6 8 4 2 实验装置简介。6 9 4 2 1 激光管的设计6 9 4 2 2 电路的设计71 4 2 3 带捕获装置的放电电极设计7 2 4 2 4 激光管的净化7 3 4 3 实验结果和讨论7 4 4 3 1 电路参量的优化。7 4 4 3 2 激光管内温度的优化7 6 4 3 3 多谱线输出功率和工作参量的关系7 8 4 3 4 多谱线光电脉) 中的参量关系8 0 4 4 j 结8 5 4 5 参考文献8 6 第5 章锶及其铜蒸气激光的光谱结构8 8 5 1 简介。8 8 5 2c u b r 激光的光谱结构8 8 5 2 15 1 0 5 7 8 n m 的光谱精细结构8 8 5 2 2 实验装置91 5 2 3 实验结果和讨论9 2 5 2 4 锶蒸气4 3 0 5 n m 复合激光的光谱结构9 7 5 3 小结9 8 5 4 参考文献9 8 第6 章总结和展望1 0 1 攻读博士学位期间参加的项目和研究成果。1 0 3 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 锶及其卤化物蒸气激光的研究近况 自激光问世以来，金属蒸气激光作为激光领域的重要分支引起了人们广泛的 兴趣和持续深入的研究，并取得重大进展。早在1 9 6 3 年第一台放电激励的金属 蒸气激光器在美国贝尔电话实验室( b e l lt e l e p h o n el a b o r a t o r i e s ) 诞生，r i g d e n 等研制了波长1 5 2 9 m 和1 8 1 3 ”m 的汞原子激光器【。1 9 6 4 年第一台脉冲放电 激励的金属蒸气激光器是美国光谱物理公司( s p e c t r a p h y s i c s ，i n c ) 的b e l l 成功研 制了波长0 6 1 5 “m 和0 5 6 8i lm 的汞离子激光器1 2 。当初之所以首选汞为金属蒸 气激光的工作物质，主要原因是不需要在高温下便能获得足够的汞蒸气压，而且 汞的化学性质相对比较稳定。现在具有代表性的金属蒸气激光器主要有两种：一种 是以铜蒸气激光为代表的高效大功率r - m 跃迁自终止型金属蒸气激光器，另一种 是以锶蒸气激光为代表的具有不同机制和多条激光谱线的碱土金属蒸气激光器 研究铜蒸气激光器的原因在于它是可见光波段中功率最大、效率最高的激光器 件，早在9 0 年代中期，美国洛伦兹利弗莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 就组装了多台铜蒸气激光器，每台平均功率大于l 千瓦，形 成多柬波长5 1 0 5 7 8 n m 的黄绿激光组合运转，每天2 4 小时不停地用于铀材料的 同位素分离【3 1 。国内铜蒸气激光器的的黄绿激光功率要低一个数量级，每台平均 功率约1 0 0 瓦左右【4 1 。目前铜蒸气紫外激光应用前景也相当诱人，我们实验室在 2 0 0 8 年首次实现了铜离子2 4 8 6 n m 的紫外激光输出，但是很遗憾由于紫外铜离子 激光的工作条件相当苛刻，输出的紫外激光功率相当不稳定，没有进一步深入地 研究。保加利亚固体物理研究所的n vs a b o t i n o v 研究小组在1 6 7 t o r r 氖气中掺 杂0 0 3 t o r r 氢气条件下，采用周期更换缓冲气体及反复净化放电管的工作方式， 在约6 0 0 m w 的平均功率下，正常运转了5 0 0 小时，在激光参数上基本达到了实 塑坚奎堂堕主堂篁堡奎 一釜! 兰堑望 用化器件的水平【5 1 ，填补了短缺波段紫外激光的空白。大家知道二氧化碳激光器、 掺钕y a g 激光器、以及准分子激光器等在很多方面有着应用，如果采用新型高 功率铜蒸气激光器作替换，在波长、功率、效率等方面使得以上器件各自的优点 有可能实现兼顾，而且达到更为实用、具有更长使用寿命的效果【6 1 。 以锶激光为代表的碱土金属激光具有较高功率和效率、谱线丰富和多种 激光机制等特性，能在紫外到红外波段实现瓦级以上功率、多达数十条谱线 的激光输出，在微电子技术、材料处理、激光医疗和大气环境检测等领域有 广泛的应用前景。长期以来，人们对该类激光进行了持续深入的实验和理论 研究并取得重大进展，对激光技术尤其是对金属蒸气激光领域的研究发展产 生了积极的推动作用。自从1 9 6 6 年w a l t e r 等首次报到了波长为o 8 7 m 和o 8 5 u m 的钙离子共振亚稳跃迁( 自终止) 的激光振荡以来【7 1 ，迄今为止，通过 电子碰撞、重体粒子碰撞能量和电荷转移及潘宁电离等碰撞激励方式，已在 碱土金属原子及离子中获得了从可见光到中红外光谱范围的十多条r m 跃 迁激光谱线，其中包括6 4 5um 波长的锶原子激光、1 0 3 1 0 9 “r n 的锶离子激 光【羽、5 5 4 “m 的钙原子激光、0 8 5 0 8 7um 的钙离子激光1 9 , 1 0 、1 1 3 1 5 0 “m 的钡原子和6 1 4 2 6 4 9 7 n m 的钡离子激光i l l , 1 2 。相对而言，国内对碱土金属蒸 气激光的研究报道较少，到目前为止只有我们实验室对该类激光的动力学机 制和特性作了较系统的研究并取得一些创新成果 1 3 - 1 5 】。 1 1 16 4 5 1 a m 锶原子激光 2 6 4 5 9 m 波长的锶蒸气激光是碱土金属蒸气激光的研究热点之一，它被认 为是用于无热损切割生物软组织的理想激光光源。先前人们通过一系列研究 认为自由电子激光器( f e l ) 能够产生符合要求的6 4 5 9 m 波长激光，f e l 输 出的波长刚好处于水分子中心吸收谱线6 1 9 m 和2 氨基化合物中心吸收谱线 6 4 5 9 m 的附近，根据热力学推理表明自由电子激光器能使软组织在受到非爆 炸性气化前完好无损，而且还能减少了激光能量的损耗。基于以上发现自由 电子激光器被应用于神经外科和眼科医疗中，但迄今为止只治疗了八位临床 塑垩奎堂堡主堂垡堡茎 一 翌! 兰堡垒 病例 1 6 1 ，在实际应用中发现它存在着质量体积过大、价格昂贵、操作麻烦等 缺点，这严重阻碍了它的应用推广。传统激光技术的发展 1 7 - 1 8 】为6 4 5 1 m 波长 激光提供了新的激光光源，但是它们的平均功率和单脉冲能量仍然不及自由 电子激光器。后来科研人员把目标转到锶蒸气原子激光上，经分析研究认为 现有实验室6 4 5 1 a m 波长锶蒸气激光加上光学参量振荡器( o p o ) 有望达到实 用化要求，因此研究人员一直试图改善和提高6 4 5 1 a m 波长锶蒸气激光的输出 特性，早在1 9 7 8 年，p l a n t o n o v 就报道过激光功率为1 2 w 的6 4 5 9 m 波长锶 蒸气激光器【1 9 1 ，最近的研究表明封离式6 4 5 9 m 锶蒸气激光功率已达2 5 w t 2 0 1 ， 但是它的寿命还是非常有限，原因在于锶蒸气激光器运转时产生的锶蒸气在 高温下易于石英或陶瓷激光管发生剧烈的化学反应而导致激光管破裂，通常 该类激光单次加料的出光寿命只有几十个小时【2 1 1 纯铜蒸气激光器虽然具有高效、功率大和稳定性好等特点，但其工作温 度高达1 4 5 0 0 c 左右，为了有效降低纯铜激光器的工作温度，1 9 7 5 年，s h u k h t i n 等人采用c u b r 作为工作物质，发现在3 5 0 - - , 5 0 0 0 c 的低温条件下也获得铜原子 激光，而且即使在无腔镜条件下都获得了脉宽为7 0 - - 1 0 0 n s 的超辐射 2 2 1 。激光 输出特性不亚于纯铜蒸气激光，自此以后大多研究者首选c u b r 作为工作物质。 有效解决了纯铜蒸气激光工作温度过高的问题，鉴于用金属卤化物代替金属 作为激光介质的成功经验，我们考虑到锶的卤化物s r b r 2 化学属性比s r 稳定， 曾首次使用锶卤化物s r b r 2 代替金属s r ，成功地实现了锶蒸气激光的多谱线振 荡，有效延长了锶蒸气激光寿命【2 3 1 ，最近在增加激活体积和采用i c 电路作用 下，h e s r b r 2 蒸气激光的输出功率已达4 2 6 w t 2 4 1 ，事实上s r c l 2 比s r b r 2 具有 更高的复合速率和更稳定的化学属性，在本次实验中我们使用锶卤化物s r c l 2 代替金属锶，采用修饰b l u m l e i n 电路为脉冲激励电路和新型激光放电管，首 次实现了多谱线锶蒸气激光的高效稳定运转，分析讨论了各工作参量对激光 输出特性的影响。 1 1 2 锶离子1 0 9 0 n m 和4 3 0 5 n m 激光的交替振荡 塑垩丕堂堡主堂垡丝茎釜! 皇堑鲨 1 9 7 2 年，前苏联学者l a t u s h 在r o s t o v 大学的实验室中首次获得了锶离 子蓝紫波段( 4 1 6 2 4 3 0 5 n m ) 的碰撞辐射复合激光【2 5 1 。随后，他们对这种新 型激光机制作了持续深入的研究，并通过多种放电激励如纵向脉冲放电、空 心阴极放电，电子束激励等获得了钙、锶离子的复合激光。9 0 年代初，我们 在国内率先实现了锶离子的4 3 0 5 n m 4 1 6 2 r i m 两条复合激光谱线的振荡啪1 ， 随后不久，就获得了钙离子的3 7 3 7 舳3 7 0 6 n m 两条紫外复合激光谱线的振 荡啪1 ，激光输出功率分别达5 0 0 m w 和1 3 0 m w 。 通过持续深入的实验研究和理论分析，我们不时将r - m 和复合激光这两 类不同机制的脉冲放电金属蒸气激光进行联想和比较，并多次展开深入的讨 论。认为尽管它们的作用机制、对激励电流脉冲的要求等有显著的差异，但 是它们同属于脉冲放电金属蒸气激光器件，而且都要求高电压、大电流、高 重复率脉冲放电激励；进一步的分析表明，碰撞辐射复合激光要求电流脉冲 后沿迅速下降并无二次振荡而自终止r - m 跃迁激光要求电流脉冲前沿快速上 次，两者原则上并没有冲突，通过改进放电激励电路、激光谐振腔结构和工 作参量等，最后在实验上实现了一价锶、钙离子r - m 和复合激光的交替振荡 但是这种交替振荡激光的机理并没有得到合理的理论解释，而且许多微观机 制如出光机制、粒子数反转过程等并没有弄清楚。曾有文献单独报道过锶离 子4 3 0 5 r i m 复合激光或1 0 9 0 n m 附近激光的动力学模型，却难以说明两者同时 振荡的动力学过程。这为建立一价锶离子1 0 9 0 4 3 0 5 n mr - m 跃迁和复合激光 交替振荡激光的动力学模型埋下伏笔。 1 1 3 电泳式锶蒸气激光 传统的锶蒸气激光通常是把金属锶等间距地放在石英或陶瓷放电管的内壁， 通过放电自加热方式获得所需的锶蒸气密度，由于放电期间锶蒸气与石英或陶瓷 放电管壁易发生剧烈的不相容化学反应和对锶金属放电产生的不可控锶蒸气密 度等问题导致蒸气密度不均匀，使得这类锶离子激光存在寿命短、稳定性差和激 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 光物质消耗快等缺点，这严重阻碍了锶激光的应用发展。为了改善锶激光的输出 特性，人们采用b e 0 陶瓷管为放电管，通过快速流动氦气将锶蒸气注入放电激活 区等方式并取得较好效果1 2 8 , 2 9 但是缓冲气体过快流动，易过多地消耗锶蒸气激 光物质，缩减了锶激光的寿命。早在1 9 7 0 年f e n d l